電子自旋的量子信息推動(dòng)硅量子芯片發(fā)展

  Iccsz訊 全球正在加速競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造更多、更好、更可靠的量子處理器，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)Vandersypen教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正致力于該領(lǐng)域的研究，在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，他們證明了電子自旋的量子信息可以被傳送給硅量子芯片中的光子。這一重大發(fā)現(xiàn)對(duì)于連接整個(gè)芯片的量子比特并允許擴(kuò)展到大量的量子比特是十分關(guān)鍵的。新的研究成果發(fā)表在世界權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

圖為研究人員，從左至右依次是Nodar Samkharadze，Lieven Vandersypen和Guoji Zheng

      研究背景

  未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今計(jì)算機(jī)。量子疊加和量子比特(量子位)糾纏使得執(zhí)行并行計(jì)算成為可能。全世界的科學(xué)家和公司都在創(chuàng)造具有越來(lái)越多量子比特的更好的量子芯片。代爾夫特理工大學(xué)的QuTech研究機(jī)構(gòu)正在致力于研究多種類(lèi)型的量子芯片。

  量子芯片的核心是由硅制成的。QuTech機(jī)構(gòu)的Lieven Vandersypen教授解釋說(shuō)：“這是我們非常熟悉的材料，硅在晶體管中被廣泛使用，因此可以在所有電子器件中找到?！?

  但同時(shí)硅也是量子技術(shù)非常有前景的材料。在讀博士Guoji Zheng說(shuō)：“我們可以利用電場(chǎng)捕獲硅中的單電子作為量子比特，這是一種有吸引力的材料，因?yàn)樗_保了量子比特中的信息可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)?！?

      研究挑戰(zhàn)

  進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算需要大量的量子比特，這成為全球范圍內(nèi)的挑戰(zhàn)難題。研究人員Nodar Samkharadze解釋說(shuō)：“要同時(shí)使用大量的量子位，他們不僅需要互相連接，還需要良好的通信。目前在硅中被捕獲為量子比特的電子只能與其相鄰的量子比特直接接觸，這使得擴(kuò)展到大量的量子比特變得非常棘手。”

  其他的量子系統(tǒng)可使用光子進(jìn)行長(zhǎng)距離交互。多年來(lái)，這也是硅量子研究的主要目標(biāo)。只有近幾年科學(xué)家們才在這方面取得了進(jìn)展。

  重大發(fā)現(xiàn)與意義

  代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)證明，單電子自旋和單光子可以耦合在一個(gè)硅芯片上。這種耦合理論上可以在自旋和光子之間傳遞量子信息。Guoji Zheng說(shuō)：“實(shí)現(xiàn)把硅芯片上的遠(yuǎn)距離量子比特連接起來(lái)非常重要，可為硅芯片上的量子比特?cái)U(kuò)展鋪平道路。”

  Vandersypen為他的團(tuán)隊(duì)感到自豪：“在全球競(jìng)爭(zhēng)的巨大壓力下，我們的團(tuán)隊(duì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成了這一成果?！边@是代爾夫特理工大學(xué)一項(xiàng)真正的突破，Vandersypen 補(bǔ)充表示：“襯底是在代爾夫特制作，芯片也是在代爾夫特潔凈室制造，并且所有測(cè)量都是在QuTech進(jìn)行的”。

圖為單電子自旋和單光子耦合在一個(gè)硅芯片上的示意圖

  下一步研究

  科學(xué)家正在努力進(jìn)行下一步工作。Vandersypen表示，現(xiàn)在的目標(biāo)就是通過(guò)光子將電子自旋的信息轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)。

  研究資助

  該研究是由歐洲研究理事會(huì)(ERC)協(xié)同資助計(jì)劃(Synergy Grant)、荷蘭科學(xué)研究組織(NWO)的Nanofront項(xiàng)目以及美國(guó)因特爾公司共同資助。

  成果發(fā)表

  N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen. Strong spin-photon coupling in silicon. Science, 2018 DOI: 10.1126/science.aar4054

      作者：兵鋒